渠道跌水式小水電開發(fā)的優(yōu)選方案

［印度］ R.巴特 等

1 概述

能源是經(jīng)濟發(fā)展的基本需求。各國的經(jīng)濟、工農(nóng)業(yè)、運輸?shù)雀鱾€產(chǎn)業(yè)以及商業(yè)和民用等，都需要注入大量的能源。在印度，目前各種電能的總裝機容量近1.74億kW，其中火電占比65%，水電21%，核電2.74%，其他可再生能源10.6%。當今人們對全球環(huán)境問題愈加關(guān)注，對電能的發(fā)展有進一步的制約，而將重點放在了環(huán)境友好型能源開發(fā)上，以促進社會的可持續(xù)發(fā)展。從燃油、煤、天然氣等這些傳統(tǒng)能源看，弊端諸多，不僅不可避免地破壞環(huán)境，甚至還會影響到人類的壽命。在使用這些能源的同時，人們對礦物燃料市場的不穩(wěn)定及其價格機制的不確定性頗有擔(dān)憂。再加上核能的發(fā)展呈下滑趨勢，火電對環(huán)境的影響很大，這樣就使得人們越來越注重包括開發(fā)大量可再生能源的可持續(xù)能源策略。

正是在這種背景下，小水電則更加引起了人們的關(guān)注。開發(fā)小水電因地而異。如果是在平原地帶建小水電工程，則通?？煽紤]在現(xiàn)有灌溉渠系基礎(chǔ)上建渠道跌水式小水電站的可能性。這種形式的電站以渠道跌水的流量和水頭來獲取能量，非常適合、也易于與鄰近的電網(wǎng)相連。印度有百年的水電開發(fā)史，最初便始于小水電的開發(fā)。1897年，印度建成了首座裝機130 kW的水電站。隨著科學(xué)技術(shù)的進步及用電需要的日益增加，推動了電力從大型水電向火電轉(zhuǎn)型。不過在最近的10～15 a間，人們從小水電的開發(fā)中再次受益，尤其是近來人們更加注重環(huán)境問題和邊遠地區(qū)的電力生產(chǎn)能力，所以再次將目光投向了小水電，主要是因為小水電經(jīng)濟實惠，工程醞釀期相對較短，相對大型水電工程而言，受制約因素要少很多。目前，估計全世界小水電蘊藏量在18萬MW左右。

在印度，各個邦可建的小水電站址超過5700個，總裝機容量達1.54萬MW。這些站址按種類不同，可分為河床式、低壩徑流式和渠道引水式小水電站。其中還有為數(shù)眾多的跌水式渠道，在渠道引水式小水電工程中，跌水高度很重要，因為眾所周知，小水電工程的設(shè)備成本(盧比/kW)與電站出力和運行水頭成反比，也就是說，設(shè)備和廠房建設(shè)的單位投入隨電站水頭和裝機容量的增加而減小。因此，合理組合利用相鄰已有的跌水，就能有效地增加水頭，但如果連續(xù)跌水的間距加大，引水渠的成本也就會相應(yīng)增加。所以對引水渠和工程其他部分的成本來說，總是有可能通過各種方案的比較而得到最佳的選擇。在目前的研究中，一直在嘗試通過組合利用相鄰的跌水，找到小水電站的最佳布置方案。以下對各種可能的跌水組合方案進行具體分析。

1.1 小水電技術(shù)

水輪機是通過水動力轉(zhuǎn)化為機械能帶動發(fā)電機發(fā)電的，其發(fā)電量與水頭和流量成正比。公式(1)為水力發(fā)電功率的一般表達式。

式中，P為水輪機機械功率，W;η為水輪機效率，其最高效率一般為80% ～90%;p為水密度，kg/m3;g為重力加速度，m/s2;Q為水輪機過流量，m3/s;h為有效水頭，m。典型的小水電工程一般都設(shè)有引導(dǎo)河水的引水堰，而渠道型小水電，一般則通過渠道將水引至前池，水從前池直接進入水輪機。

1.2 低水頭渠道引水式小水電

在印度，小水電是根據(jù)其裝機容量來定義的，即25 MW的發(fā)電容量為小水電。裝機小于100 kW的，可進一步劃分為微型水電，101～2000 kW為小小型水電;水輪機單機容量1000～5000 kW、電站裝機達到2.5 MW的為小水電。小水電按類型可分為以下兩種:①建在有小溪流的丘陵地帶的小水電。這類小水電大多為低壩徑流式，中、高水頭，但流量較小。②建在平原地帶及其他類似地區(qū)的小水電，是利用灌渠的水或飲用水、小壩等經(jīng)調(diào)節(jié)后的水流動力，其特點與上述相反，通常是低水頭、大流量，所以這類電站大多為低水頭渠道引水式和低壩徑流式小水電。根據(jù)水頭高低的不同，又可將小水電進一步劃分:水頭3～20 m為低水頭小水電，20～60 m為中水頭小水電，60 m以上為高水頭小水電。當然，上述劃分也不是絕對硬性的。

渠道引水式小水電站一般都規(guī)劃在靠近電力負荷中心的地區(qū)，以使供電更可靠、更經(jīng)濟，避免輸配電損失。低水頭渠道引水式小水電工程的典型布置如圖1所示。

1.3 渠道跌水

當建灌渠地區(qū)的天然坡降大于灌渠應(yīng)有的縱向坡降時，就只有以適當?shù)拈g隔通過跌水進行調(diào)整。渠道中跌水的位置取決于渠道走線地區(qū)的地形。對于不直接作灌溉用的干渠，確定跌水位置時則應(yīng)考慮渠道的開挖成本。如果還有分渠或支渠，則應(yīng)將跌水布置在灌渠的主控區(qū)。

圖1 渠道引水式小水電工程典型布置

1.4 渠道跌水的組合利用

灌渠中的跌水，應(yīng)沿渠道走線布置在地形適合的位置。跌水的高低和位置，應(yīng)考慮以該渠段總成本最低為目標。對已有的渠道，可將兩三個、甚至更多的跌水組合利用，在分水渠中形成單一的跌水進行發(fā)電。這樣做可能會使分水渠變得很長，部分渠段可能還得進行挖填，主要取決于所選渠道縱剖面的選擇方案。通過研究不同部位的挖填量組合和比選，就可從多種方案中找出最經(jīng)濟的方案。這項工作應(yīng)在每年渠道停運期間進行，以免影響運行期渠道的正常運用。

2 渠道引水式小水電的組成

2.1 引水渠

引水渠的主要作用是:將所需的水量引至電站廠房，并及時將廠房的出流排至干渠。第2個作用很重要，這不僅能防止上段渠道的涌浪和渠道水流漫溢的危險，而且還能維持下游渠段水流的連續(xù)性。

2.2 溢流堰

溢流堰可布置在干渠或引水渠中，視現(xiàn)場溢水條件而定。

2.3 電站廠房

電站廠房是一個裝有發(fā)電機組的簡單結(jié)構(gòu)，配有輔助設(shè)備，并有足夠的高度和空間供升降設(shè)備運行及電站的運行維護。該廠房為柱、梁和桁架等構(gòu)成的鋼結(jié)構(gòu)，即鋼筋混凝土構(gòu)架結(jié)構(gòu)。電站廠房可分為主廠房、裝配間、控制室及維修區(qū)等4個區(qū)間。水輪發(fā)電機組布置在主區(qū)域(即中心區(qū))，維修和裝配區(qū)分布在其周圍。

機電設(shè)備主要有:水輪機、調(diào)速器、發(fā)電機、勵磁系統(tǒng)、開關(guān)設(shè)備、控制與保護設(shè)備、機電輔助設(shè)施、變壓器和開關(guān)設(shè)備等等。

2.4 水輪機

低水頭小水電站大多采用燈泡貫流式水輪機，單機容量為5 MW。對貫流式水輪機而言，既可以采用立式也可以采用臥式。水輪發(fā)電機組布置在流道中，發(fā)電機布置在外側(cè)。如果是燈泡式水輪機，則將發(fā)電機與軸承等布置在形似燈泡的密封殼體內(nèi)，并與水輪機直接連接，布置在流道內(nèi)。

2.5 發(fā)電機

小水電站安裝的發(fā)電機通常有兩種，即異步和同步發(fā)電機。異步發(fā)電機結(jié)構(gòu)簡單、牢固、可靠性高。不過市場上可購到的異步發(fā)電機，其額定容量都限制在3500 kW以下。

3 組合利用渠道跌水的分析方法

在目前的研究中，考慮了各種可能的比選方案，并對選擇渠道跌水式小水電的最優(yōu)方案進行了詳細分析，其中最典型的方案是渠道中考慮6級跌水。圖2為該方案的典型布置圖。分析中考慮了以下幾種假設(shè)情況。

圖2 具有6級渠道跌水的斷面

(1)渠道中考慮6級跌水。

(2)假設(shè)每一級跌水水頭均為3 m，連續(xù)跌水的間距為3 km。

(3)在引水渠中布置電站廠房，采用半轉(zhuǎn)槳貫流式水輪機，干渠上布置溢流堰。

(4)渠道斷面的設(shè)計過流量定為50 m3/s。

(5)考慮了以下各種比選方案(見表1)。①各為3 m水頭的6座廠房，每座廠房裝機2×625 kW;②各為6 m水頭的3座廠房，每座廠房裝機2×1250 kW;③各為9 m水頭的2座廠房，每座廠房裝機2×1875 kW;④分別為12 m和6 m水頭的2座廠房，前座廠房裝機2×2500 kW，后座廠房裝機2×1250 kW;⑤分別為15 m和3 m水頭的2座廠房，前座廠房裝機2×3125 kW，后座廠房裝機2×625 kW;⑥總水頭為18 m的單座廠房，裝機2×3750 kW。各布置方案見圖3。

表1 不同布置方案參數(shù)

(6)采用單級跌水的小水電站，其引水渠長度考慮為0.5 km。

4 可利用水能的計算

水電是一種能源，主要是通過某一高度水流轉(zhuǎn)化的動能而得到。這種水具有的動能，即水能，通過水電機組轉(zhuǎn)化成電能。某一水電站址的水能主要取決于該處可獲的流量與水頭。

不同方案所取的水頭不同，相應(yīng)的水能就不同，采用公式(1)計算得出的不同水頭和不同方案時的總裝機容量分別見表2和表3。

表2 不同水頭時的小水電裝機容量

表3 不同方案時的小水電總裝機容量

5 成本計算方法

按目前的分析，這種渠道跌水式小水電采用的是最常用的低水頭貫流式水輪機，在引水渠中布置電站廠房，干渠上布置溢流堰。為能更好地利用電站廠房，減少停機時間，適應(yīng)流量變化，將發(fā)電機組定為兩組。因土建工程和機電設(shè)備是不同的項目，所以采用不同的公式和關(guān)聯(lián)性來進行成本計算。引水渠、溢流堰、電站廠房及機電項目的成本，要根據(jù)不同項目的實際工程量，采用相應(yīng)的成本計算公式及其關(guān)聯(lián)性進行計算，這些項目包括:土方挖填量、混凝土澆筑、鋼筋配置、鋼結(jié)構(gòu)及其他如門、窗、樓面裝修、抹灰涂面、衛(wèi)生和供排水工程、柵欄油漆等。

5.1 引水渠成本

引水渠成本主要由土方和襯砌工程成本構(gòu)成，可按如下方法計算。

(1)土方成本。包括渠道斷面所需的挖填。單位長度渠段的土方成本(Rs.)用公式(2)計算。

(2)襯砌成本。單位長度的渠道側(cè)砌和底襯砌按公式(3)，即根據(jù)材料用量進行計算。

除上述成本之外，隨著水頭的增加，還要考慮因上覆土層對深層土的壓力所需的深開挖支護費用，這一因素必然導(dǎo)致引水渠成本加大。每公里引水渠的成本(Rs.)按公式(4)計算。

5.2 溢流堰成本

可根據(jù)公式(5)中的水頭和發(fā)電功率計算單位kW的溢流堰成本。

5.3 電站廠房成本

可根據(jù)公式(6)中的相關(guān)水頭和發(fā)電功率計算單位kW的溢流堰成本。

5.4 機電設(shè)備成本

機電設(shè)備的各構(gòu)成成本均與水頭和發(fā)電功率相關(guān)。水輪機與調(diào)速器、發(fā)電機與勵磁系統(tǒng)、機電輔助設(shè)施、變壓器與開關(guān)設(shè)備等各項機電設(shè)備的單位kW成本，可分別用式(7)～(10)計算。

機電設(shè)備的單位kW成本表達式見式(11)。

5.5 總成本

總成本包括土建工程成本、機電設(shè)備成本和其他輔助項目成本及間接費用。輔助項目和間接費用由項目前期的相關(guān)成本構(gòu)成，包括設(shè)計、審計、帳目核算、間接費用、工具與設(shè)備、交通費、前期籌備費、實地勘察和土地征用費等。總成本可用公式(12)計算得出。

6 討論

實例計算(略)與分析表明，隨著渠道中連續(xù)跌水的間距增大，如果相鄰多級跌水的分級數(shù)目少，則成本低;隨著連續(xù)跌水的間距減小，即使相鄰跌水的分級數(shù)目增多，成本一樣也不會高。

對于不同方案的不同跌水間距，雖然溢流堰、電站廠房和機電設(shè)備的成本是固定不變的，但引水渠的成本會發(fā)生變化，連續(xù)跌水間距越長，成本越高，間距越短，成本也越低。

7 結(jié)語

在目前的研究中，按連續(xù)跌水的不同間距，通過組合利用渠道跌水，比較和分析了開發(fā)渠道跌水式小水電站的各種方案。對于總裝機7500 kW的渠道引水式電站的布置，考慮了各種不同的方案。分析表明，引水渠的成本在渠道跌水式小水電的開發(fā)中起著舉足輕重的作用。通過數(shù)據(jù)比較還可以看出，如果連續(xù)跌水的間距為3 km或更長，則以分開利用渠道跌水的形式開發(fā)小水電站更為經(jīng)濟。如果連續(xù)跌水的間距為0.5 km，組合鄰近已有的跌水開發(fā)小水電站則更經(jīng)濟。如果連續(xù)跌水的間距較短，最好是組合利用更多跌水，而將小水電站的數(shù)目減少，因為在此情況下，引水渠的成本可降低，能更有效地利用水頭，從而減少小水電站總成本。如果連續(xù)跌水的間距較長，則最好是分開利用渠道跌水，或盡量減少組合跌水的數(shù)目，因為在此情況下，減小引水渠規(guī)模更可行，以達到減少小水電站總成本的目的。